【内存】buffers与cached的区别

free 命令是Linux系统上查看内存使用状况最常用的工具，然而很少有人能说清楚 “buffers” 与 “cached” 之间的区别：

我们先抛出结论，如果你对研究过程感兴趣可以继续阅读后面的段落：

buffers 表示块设备(block device)所占用的缓存页，包括：直接读写块设备、以及文件系统元数据(metadata)，比如SuperBlock所使用的缓存页；

cached 表示普通文件数据所占用的缓存页。

下面是分析过程：

先用 strace 跟踪 free 命令，看看它是如何计算 buffers 和 cached 的：

# strace free
...
open('/proc/meminfo', O_RDONLY)         = 3
lseek(3, 0, SEEK_SET)                   = 0
read(3, 'MemTotal:        3848656 kB\nMemF'..., 2047) = 1170
...

显然 free 命令是从 /proc/meminfo 中读取信息的，跟我们直接读到的结果一样：

# cat /proc/meminfo
MemTotal:        3848656 kB
MemFree:          865640 kB
Buffers:          324432 kB
Cached:          2024904 kB
...
SwapTotal:       2031612 kB
SwapFree:        2031612 kB
...
Shmem:              5312 kB
...

那么 /proc/meminfo 中的 Buffers 和 Cached 又是如何得来的呢？这回没法偷懒，只能去看源代码了。源代码文件是：fs/proc/meminfo.c ，我们感兴趣的函数是：meminfo_proc_show()，阅读得知：

Cached 来自于以下公式：

global_page_state(NR_FILE_PAGES) – total_swapcache_pages – i.bufferram

global_page_state(NR_FILE_PAGES) 表示所有的缓存页(page cache)的总和，它包括：

• Cached
• Buffers 也就是上面公式中的 i.bufferram，来自于 nr_blockdev_pages() 函数的返回值。
• 交换区缓存(swap cache)

global_page_state(NR_FILE_PAGES) 来自 vmstat[NR_FILE_PAGES]，vmstat[NR_FILE_PAGES] 可以通过 /proc/vmstat 来查看，表示所有缓存页的总数量：

# cat /proc/vmstat
...
nr_file_pages 587334
...

注意以上nr_file_pages是以page为单位（一个page等于4KB），而free命令是以KB为单位的。

直接修改 nr_file_pages 的内核函数是：__inc_zone_page_state(page, NR_FILE_PAGES) 和__dec_zone_page_state(page, NR_FILE_PAGES)，一个用于增加，一个用于减少。

Swap Cache是什么？

用户进程的内存页分为两种：file-backed pages（与文件对应的内存页）和anonymous pages（匿名页）。匿名页(anonymous pages)是没有关联任何文件的，比如用户进程通过malloc()申请的内存页，如果发生swapping换页，它们没有关联的文件进行回写，所以只能写入到交换区里。

交换区可以包括一个或多个交换区设备（裸盘、逻辑卷、文件都可以充当交换区设备），每一个交换区设备在内存里都有对应的swap cache，可以把swap cache理解为交换区设备的page cache：page cache对应的是一个个文件，swap cache对应的是一个个交换区设备，kernel管理swap cache与管理page cache一样，用的都是radix-tree，唯一的区别是：page cache与文件的对应关系在打开文件时就确定了，而一个匿名页只有在即将被swap-out的时候才决定它会被放到哪一个交换区设备，即匿名页与swap cache的对应关系在即将被swap-out时才确立。

并不是每一个匿名页都在swap cache中，只有以下情形之一的匿名页才在：

• 匿名页即将被swap-out时会先被放进swap cache，但通常只存在很短暂的时间，因为紧接着在pageout完成之后它就会从swap cache中删除，毕竟swap-out的目的就是为了腾出空闲内存；【注：参见mm/vmscan.c: shrink_page_list()，它调用的add_to_swap()会把swap cache页面标记成dirty，然后它调用try_to_unmap()将页面对应的page table mapping都删除，再调用pageout()回写dirty page，最后try_to_free_swap()会把该页从swap cache中删除。】
• 曾经被swap-out现在又被swap-in的匿名页会在swap cache中，直到页面中的内容发生变化、或者原来用过的交换区空间被回收为止。【注：当匿名页的内容发生变化时会删除对应的swap cache，代码参见mm/swapfile.c: reuse_swap_page()。】

cached：

Cached 表示除去 buffers 和 swap cache 之外，剩下的也就是普通文件的缓存页的数量：

global_page_state(NR_FILE_PAGES) – total_swapcache_pages – i.bufferram

所以关键还是要理解 buffers 是什么含义。

buffers：

从源代码中看到，buffers 来自于 nr_blockdev_pages() 函数的返回值：

long nr_blockdev_pages(void)
{
        struct block_device *bdev;
        long ret = 0;
        spin_lock(&bdev_lock);
        list_for_each_entry(bdev, &all_bdevs, bd_list) {
                ret += bdev->bd_inode->i_mapping->nrpages;
        }
        spin_unlock(&bdev_lock);
        return ret;
}

这段代码的意思是遍历所有的块设备(block device)，累加每个块设备的inode的i_mapping的页数，统计得到的就是 buffers。显然 buffers 是与块设备直接相关的。

那么谁会更新块设备的缓存页数量(nrpages)呢？我们继续向下看。

搜索kernel源代码发现，最终点我更新mapping->nrpages字段的函数就是：

pagemap.h: add_to_page_cache
> filemap.c: add_to_page_cache_locked

C__add_to_page_cache_locked
> page_cache_tree_insert
和：
filemap.c: delete_from_page_cache
> __delete_from_page_cache
> page_cache_tree_delete

static inline int add_to_page_cache(struct page *page,
                struct address_space *mapping, pgoff_t offset, gfp_t gfp_mask)
{
        int error;
 
        __set_page_locked(page);
        error = add_to_page_cache_locked(page, mapping, offset, gfp_mask);
        if (unlikely(error))
                __clear_page_locked(page);
        return error;
}
 
void delete_from_page_cache(struct page *page)
{
        struct address_space *mapping = page->mapping;
        void (*freepage)(struct page *);
 
        BUG_ON(!PageLocked(page));
 
        freepage = mapping->a_ops->freepage;
        spin_lock_irq(&mapping->tree_lock);
        __delete_from_page_cache(page, NULL);
        spin_unlock_irq(&mapping->tree_lock);
        mem_cgroup_uncharge_cache_page(page);
 
        if (freepage)
                freepage(page);
        page_cache_release(page);
}

这两个函数是通用的，block device 和 文件inode 都可以调用，至于更新的是块设备的(buffers)还是文件的(cached)，取决于参数变量mapping：如果mapping对应的是块设备，那么相应的统计信息会反映在 buffers 中；如果mapping对应的是文件inode，影响的就是 cached。我们下面看看kernel中哪些地方会把块设备的mapping传递进来。

首先是块设备本身，打开时使用 bdev->bd_inode->i_mapping。

static int blkdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)
{
        struct block_device *bdev;
 
        /*
         * Preserve backwards compatibility and allow large file access
         * even if userspace doesn't ask for it explicitly. Some mkfs
         * binary needs it. We might want to drop this workaround
         * during an unstable branch.
         */
        filp->f_flags |= O_LARGEFILE;
 
        if (filp->f_flags & O_NDELAY)
                filp->f_mode |= FMODE_NDELAY;
        if (filp->f_flags & O_EXCL)
                filp->f_mode |= FMODE_EXCL;
        if ((filp->f_flags & O_ACCMODE) == 3)
                filp->f_mode |= FMODE_WRITE_IOCTL;
 
        bdev = bd_acquire(inode);
        if (bdev == NULL)
                return -ENOMEM;
 
        filp->f_mapping = bdev->bd_inode->i_mapping;
 
        return blkdev_get(bdev, filp->f_mode, filp);
}

其次，文件系统的Superblock也是使用块设备：

struct super_block {
        ...
        struct block_device     *s_bdev;
        ...
}
 
int inode_init_always(struct super_block *sb, struct inode *inode)
{
...
        if (sb->s_bdev) {
                struct backing_dev_info *bdi;
 
                bdi = sb->s_bdev->bd_inode->i_mapping->backing_dev_info;
                mapping->backing_dev_info = bdi;
        }
...
}

sb表示SuperBlock，s_bdev就是块设备。Superblock是文件系统的metadata（元数据），不属于文件，没有对应的inode，所以，对metadata操作所涉及的缓存页都只能利用块设备mapping，算入 buffers 的统计值内。

如果文件含有间接块(indirect blocks)，因为间接块也属于metadata，所以走的也是块设备的mapping。查看源代码，果然如此：

ext4_get_blocks
->  ext4_ind_get_blocks
    ->  ext4_get_branch
        ->  sb_getblk
 
static inline struct buffer_head *
sb_getblk(struct super_block *sb, sector_t block)
{                       
        return __getblk(sb->s_bdev, block, sb->s_blocksize);
}

这样我们就知道了buffers 是块设备(block device)占用的缓存页，分为两种情况：

• 直接对块设备进行读写操作；
• 文件系统的metadata（元数据），比如 SuperBlock。

验证：

现在我们来做个测试，验证一下上述结论。既然文件系统的metadata会用到 buffers，我们用 find 命令扫描文件系统，观察 buffers 增加的情况：

# free
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:       3848656    2889508     959148       5316     263896    2023340
-/+ buffers/cache:     602272    3246384
Swap:      2031612          0    2031612
 
# find / -name abc.def
 
# free
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:       3848656    2984052     864604       5320     319612    2023348
-/+ buffers/cache:     641092    3207564
Swap:      2031612          0    2031612

再测试一下直接读取block device，观察buffers增加的现象：

# free
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:       3848656    3006944     841712       5316     331020    2028648
-/+ buffers/cache:     647276    3201380
Swap:      2031612          0    2031612
 
# dd if=/dev/sda1 of=/dev/null count=2000
2000+0 records in
2000+0 records out
1024000 bytes (1.0 MB) copied, 0.026413 s, 38.8 MB/s
 
# free
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:       3848656    3007704     840952       5316     331872    2028692
-/+ buffers/cache:     647140    3201516
Swap:      2031612          0    2031612

结论：

free 命令所显示的 buffers 表示块设备(block device)所占用的缓存页，包括直接读写块设备、以及文件系统元数据(metadata)如SuperBlock所使用的缓存页；而 cached 表示普通文件所占用的缓存页。